钢栈桥设计计算书

钢栈桥设计计算书

一、总体概述

第一节 工程概况

钢栈桥工程所处位置是×××南股槽主流区域，涌潮汹涌，流速大，南侧500米左右江道在-10米（黄海高程，下同）以下，最深达-18米左右，其余地段江道在-8～-3.5米之间。

栈桥的起点位置定在世纪南丘一期西隔堤坝头，终点在中沙岛上。栈桥全长3km，设计起点里程ZQK0+000.0，终点里程ZQK3+000.0，起点标高+9.50m。其中ZQK0+000.0～ZQK0+024.20为过渡段型钢栈桥，设2%纵坡；ZQK0+024.20～ZQK2+450.8，长2426.6m，为贝雷栈桥，纵向平坡，桥面高程+9.00m；ZQK2+450.8～ZQK2+559，长108.2m，为型钢栈桥，设1%纵坡；ZQK2+559～ZQK3+000.0，长441m，为型钢栈桥，纵向平坡，桥面高程+7.92m。按双向行车道设计，桥面净宽8.0m，按两车道设计。

第二节 自然条件

2.1气候

⑴平均气温16.2℃，极端最高气温39℃，极端最低气温‐10.5℃。 ⑵降水：年平均降水1423mm，最大24小时降水量189mm。

⑶潮汐：工程范围处于×××潮汐地段，每天日夜二潮，最高潮位7.18米，7、8、9三个月是台风暴潮影响频繁期。5年一遇设计高潮位为+6.24m，10年一遇设计高潮位为+6.50m，20年一遇设计高潮位为+6.77m。

2.2地质

工程区域属河江三角洲堆积平原，为第四纪海相沉积物，一般为粘质粉土和砂质粉土，受振动易析水液化，且易受潮流冲刷。地质土层自上而下为粉土、粉土夹粉砂、淤泥质粉质粘土、淤泥质粉质粘土夹粉土。

桥位地质土层情况表（ZK4钻孔） 表1-1

土层序号 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5 粉土 粉土 粉土 粉土 粉土夹粉砂 淤泥质粉质粘土 土层名称 层厚m 0～4.2 4.2～9.8 9.8～10.9 10.9～14.8 14.8～20.7 20.7～33.5 层底标高m 4.4～0.2 -0.2～-5.4 -5.4～-6.5 -6.5～-10.4 -10.4～-16.3 -16.3～-29.1 -29.1～-39.4 淤泥质粉质粘土夹粉土 33.5～43.8 粉质粘土 2.3河床冲刷

进场后为给设计提供准确的河床标高资料，我单位委托《浙江省水利河口研究院测绘分院》进行栈桥桥位处河床断面测量工作，测量结果如下表：

河床标高一览表 表1-2

里程桩号 ZQK0+000～ZQK0+200 ZQK0+200～ZQK0+300 ZQK0+300～ZQK0+650 ZQK0+650～ZQK1+000 ZQK1+000～ZQK1+250 ZQK1+250～ZQK3+000 长度(m) 200 100 350 350 250 1750 河床标高(m) -3～-9 -9～-17 -17～-23 -9～-17 -9～-1 大于-1 同投标时相比，河床冲刷较大，最大冲刷达5米多之深，河床标高最低为-23.21m， 河床的刷深对栈桥的设计与施工造成很大的难度，重新设计后钢材用量也明显增大。

二、钢栈桥设计方案

第一节 设计说明

1.1设计范围

本图纸为栈桥施工设计图，内容包括：栈桥总平面布置、钢管桩基础、上部结构（贝雷片组、型钢分配梁）、桥面附属设施、交通安全设施。

1.2设计依据

⑴《上虞市世纪丘治江围涂临时促淤工程钢栈桥工程招标文件》 ⑵《桥位地质图》 ⑶《桥位地形图》

1.3设计规范

1.3.1设计遵守的主要规范

⑴《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）。 ⑵《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）。 1.3.2设计参考资料

⑴《钢结构设计手册》 ⑵《路桥施工计算手册》

⑶《装配式公路钢桥多用途使用手册》 ⑷《公路施工手册》-《桥涵》上下册 ⑸《公路工程技术标准》 ⑹《公路工程质量检验评定标准》

1.4主要技术标准

⑴设计荷载：公路—I级，汽车-超20级，挂—120级，桥上需同时行使总重40～

50T自卸汽车。

⑵施工控制活载：公路—I级，履带吊-80 ⑶设计行车速度：15km/h ⑷设计使用寿命：3年

⑸水位：选取20年一遇高水位+6.77m

1.5主要材料及性能

栈桥所选用的主要材料表 表2-1

名 称 及 规 格 桥面板，钢板厚σ=12mm I12、I25a、I36a、[20a、H60 “321”型贝雷片 φ800mm钢管桩，壁厚σ=10mm φ600mm钢管桩，壁厚σ=10mm φ27.3cm钢管，壁厚σ=8mm ⑴桥面板

考虑到桥面板在施工过程中的变形问题，钢板厚取σ=12mm，采用Q235钢材质。 ⑵普通钢材

钢管桩、型钢等采用Q235-A的钢材，必须符合国家标准（GB/T1591-94）的有关规定，Q235-A的屈服强度为235MPa，抗拉强度≥375MPa，弹性模量Eg=2.1×105MPa。

⑶贝雷片

贝雷片梁采用工厂加工成型的“321”型贝雷片，材质为Q345钢，支撑花架采用∟63×5与∟50×5，材质为Q235-A，自行加工,贝雷片剪刀撑采用[8。

材 料 Q235-A Q235-A Q345 Q235-A Q235-A Q235-A 第二节 栈桥结构设计

2.1概述

栈桥的起点位置定在世纪南丘一期西隔堤坝头，终点在中沙岛上。栈桥全长3km，设计起点里程ZQK0+000.0，终点里程ZQK3+000.0，起点标高+9.50m。其中ZQK0+000.0～ZQK0+024.20为过渡段型钢栈桥，设2%纵坡；ZQK0+024.20～ZQK2+450.8，长2426.6m，为贝雷栈桥，纵向平坡，桥面高程+9.00m；ZQK2+450.8～ ZQK2+559，长108.2m，为型钢栈桥，设1%纵坡；ZQK2+559～ZQK3+000.0，长441m，为型钢栈桥，纵向平坡，桥面高程+7.92m。按双向行车道设计，桥面净宽8.0m，按两车道设计。

栈桥采用多跨连续梁方案。贝雷栈桥梁部结构为四组双排单层“321”贝雷桁架，

梁高1.5m,均采用7×15m跨一联；型钢栈桥主梁采用H60型钢。栈桥下部结构采用打入式钢管桩基础，按摩擦桩设计。根据受力及河床冲刷情况，C-1～C-17#墩钢管桩单排采用3Φ800mm布置形式，制动墩设双排桩, 采用3Φ600mm布置形式；C-18～C-84#墩钢管桩单排采用3Φ1000mm+1Φ600mm(斜桩)布置形式，制动墩设双排桩, 采用2Φ800mm+1Φ1000mm布置形式；C-85～C-118#墩钢管桩单排采用3Φ800mm+1Φ600mm(斜桩)布置形式，制动墩设双排桩, 采用2Φ600mm+1Φ800mm布置形式；C-119～C-300#墩钢管桩单排采用3Φ800布置形式，制动墩设双排桩, 采用3Φ600mm布置形式。钢管桩采用防腐涂装保护措施。

由于钢栈桥通行车辆频率高，300辆/天，容易引起桥面板破损，所以桥面采用σ=12mm厚的钢板，采用标准化模块，每块1.5×8m。

2.2栈桥基本结构尺寸

2.2.1贝雷栈桥

贝雷栈桥桥宽为8.0m，标高为+9.00m，纵向平坡，标准跨为15m或12m长，标准跨之间采用φ800mm×10mm或φ1000mm×10mm的螺旋钢管桩（间距为15m），横桥向间距为3.20m，河床冲刷较大时采用一根φ600mm×10mm的斜桩进行加固，伸缩缝之间采用φ600mm×10mm、φ800mm×10mm、φ1000mm×10mm双排桩，纵桥向间距为3.0m，横桥向间距为3.20m。

栈桥桥面板顺桥向每0.5m间距焊接一道φ8mm钢筋作为防滑处理措施。钢管桩横桥向间设置有[20a钢的剪刀撑，平联管采用φ273mm×8mm、φ460mm×8mm的Q235-A的钢管。钢管桩顶面采用I36a型钢的横向连接分配梁，顶面铺设“321”型贝雷片组，贝雷片组间中心距为2.20m，片与片间距为0.9m，片与片设置贝雷花架，贝雷组与组间设置[8斜撑。上面设置I25a横向分配梁及I12纵向分配梁，桥面板采用δ=12mm厚Q235钢板。栈桥每3～9个标准跨一联，联与联之间预留0.2m伸缩缝，伸缩缝为0.5m宽钢板一端焊接一端自由。

供水管道电缆管道桥面钢板12mmI12I25a9.000m支撑花架贝雷片剪刀撑7.102m2I36a节点板1牛腿剪刀撑节点板20.000m钢管平联

图2-1 贝雷栈桥一般构造图

2.2.2型钢栈桥

型钢栈桥桥宽为8.0m，前108.2m设有纵向坡度为1%，桥面高程+7.92m～+9.00m，余下441.0m纵向平坡，桥面高程+7.92m，标准跨为12m长，标准跨之间采用φ800mm×10mm的螺旋钢管桩（间距为12m），横桥向间距为3.20m，伸缩缝之间采用φ600mm×10mm双排桩，纵桥向间距为3.0m，横桥向间距为3.20m。

栈桥桥面板顺桥向每0.5m间距焊接一道φ8mm钢筋作为防滑处理措施。钢管桩横桥向间设置有[20a钢的剪刀撑，平联管采用φ273mm×8mm的Q235-A的钢管。钢管桩顶面采用I36a型钢的横向连接分配梁，顶面铺设H60型钢主梁，H60型钢中心距为0.70m。上面设置I12横向分配梁，桥面板采用δ=12mm厚钢板。栈桥每9个标准跨一联，联与联之间预留0.2m伸缩缝，伸缩缝为0.5m宽钢板一端焊接一端自由。

供水管道电缆管道H60桥面钢板12mmI127.920～9.000m7.182～8.262m2I36a牛腿节点板1剪刀撑节点板20.000m钢管平联

图2-2 型钢栈桥一般构造图

2.3栈桥附属设施

本栈桥在上虞市世纪治江围涂工程临时促淤工程施工过程中发挥着重要的作用，是水上施工的生命线，因此组织好栈桥的交通是至关重要的。考虑到施工过程中的车流量较大，栈桥设计成8m宽度。

为方便促淤工程的施工，在栈桥上设置有φ140mm×3.5mm的无缝钢管作为电缆管道，φ120mm×3.5mm的镀锌钢管作为自来水供水管道。以确保中沙岛基地水、电供应。

贝雷栈桥桥面护栏竖杆焊接在贝雷架上的横向分配梁I25a上，型钢栈桥桥面护栏竖杆焊接在横向分配梁I12上，焊脚高度不小于6mm，扶手横杆焊接在竖杆顶端。

栏杆的竖杆、扶手要求刷上红白相间的警示反光油漆，保证车辆夜间运行安全。栈桥钢管桩露在水面以上部分涂刷醒目的橘红色反光面漆，防止海上作业其他船只过桥时对钢管桩的碰撞。

每隔15m设置有安全警示灯，每隔1000m设置有一个高倍扬声器，一旦发生意外情况，可及时通知作业人员和来往车辆在最短时间内撤离。

第三节 栈桥受力计算

3.1计算荷载

3.1.1荷载及荷载组合

永久荷载：栈桥自重+水管+电缆管

基本可变荷载：①公路—I级，汽车-超20级，挂—120，履带吊-80

②人群荷载3KN/m2

其他可变荷载：①风力：12级风力，设计风速33.5m/s；

②流水压力：本次以设计平均流速3m/s为计算依据。

荷载组合：

（I）栈桥自重+风力+流水压力 （II）栈桥自重+活载+风力+流水压力

3.1.2风荷载计算

12级风力，设计风速33.5m/s； 水平风载： FWh=k0ηk1k3WdAwh

=0.75×0.8×1.7×1.0×0.686×11.25 =7.87kN 式中：

Z—距地面或水面的高度 γ—空气重力密度 Vd—设计风速 g—重力加速度

k0—设计风速重现期换算系数 k1—风载阻力系数 η—桁架风载阻力遮挡系数 k3—地形、地理条件系数 Wd—设计基准风压 Awh—横向迎风面积

3.1.3流水压力

本次以设计平均流速3m/s为计算依据。取河床冲刷最大处（河床标高-23m）的单排钢管桩进行稳定性计算，河床最大冲刷考虑6m，水位取20年一遇高水位+6.77m流水压力计算如下：

φ1000钢管桩承受的流水压力 Fw=KA

?V22g

10?32=0.8×35.77×1×

2?9.81=131.27kN

φ600钢管桩承受的流水压力 Fw=KA

?V22g

10?32=0.8×34×0.6×

2?9.81=74.86kN

式中 Fw—流水压力标准值(kN) ?—水的重力密度,取10kN/m3 V—设计流速,取3m/s

A—桥墩阻水面积(m2),计算至一般冲刷线处 g—重力加速度,g=9.81m/s2 K—桥墩形状系数,取0.8

3.2河床冲刷计算

钢栈桥处于×××南股槽强涌潮地段，而水下土质均以粉砂土为主，潮流对钢栈桥桥桩附近冲刷严重，为保证栈桥施工和运行时安全，现进行河床冲刷计算。 3.2.1一般冲刷计算

一般冲刷计算公式为：

????Q2?hcm???A?d?B?h??cj?cq??hp??1??6Ed?? ??

??式中：

hp5335—桥下一般冲刷后的最大水深（m）；

Ad—单宽流量集中系数；

?Bz??Ad???H??z?0.15

Bz—造床流量下的河槽宽度（m），对复式河床可取平滩水位时河槽宽度；

Hz—造床流量下的河槽平均水深（m），对复式河床可取平滩水位时河槽

平均水深；

Qp—频率为P%的设计流量（m3/s）；

Q2—桥下河槽部分通过的设计流量（m3/s），当河槽能扩宽至全桥时取用

Qp；

Bcj—河槽部分桥孔过水净宽（m），当桥下河槽能扩宽至全桥时，即为全

桥桥孔过水净宽；

?—桥墩水流侧向压缩系数；

hcm—河槽最大水深（m）； hcq—河槽平均水深（m）；

； d—河槽泥沙平均粒径（mm）

E—与汛期含沙量有关的系数；

hcm=16.09m，Q2=27000m3/s，Bcj=3000m，?=0.92， 各参数取值如下：Ad=1.26，

hcq=11.47m, d=0.075mm, E=0.66

经计算一般冲刷为:

3??5??5hcm?Q2???3??16.09???1.26?27000???Ad?B?h????cj?cq??0.92?300011.47????h??5335p?1??Ed6??1???0.66?????0.0756?=10.53m

3.2.2局部冲刷计算

一般冲刷后墩前行近流速：

1V?Ed6h212p3=0.66?0.0756?10.533=2.06m/s

河床泥沙起动流速:

Vhp0.140?0.0246(d)332d?10?hpd0.72

=0.0246?(10.530.0.075)14332?0.075?10?10.530.0750.72 =0.62m/s

墩前泥沙起冲流速:

V0'?0.462(d0.B)06V00.462?(0.075)0.06?0.621=0.8=0.25m/s

由于V?V0,所以局部冲刷计算：

n1hK0.6?V?V0'?b?K??1B1?V0?V0'????V0?V'???

00.83=

1?3.75?0.80.6??0.62?0.25????2.06?0.25??0.62?0.25??

=4.53m

式中: K?1—河床颗粒影响系数；

???? 1?11?1??K?1?0.8?0.45?0.15?0.8???0.450.15?dd0.0750.075??=??=3.75 K?—墩形系数；

n1—指数；

?V?n1??0??V?0.25d0.19?0.62?=??2.06??0.25?0.0750.19=0.83

3.2.3确定总冲刷深度

在二十年一遇最大流量下，总冲刷深度为15.06m,根据04.4、04.7、04.11、05.4、05.7地形图及进场后测定的河床冲刷情况确定最大冲刷深度为6m。

河床标高及各区段栈桥河床冲刷深度确定如下表 表2-2 区 段 第一区段 第二区段 第三区段 第四区段 第五区段 第六区段 里程桩号 ZQK0+000～ZQK0+200 ZQK0+200～ZQK0+300 ZQK0+300～ZQK0+650 ZQK0+650～ZQK1+000 ZQK1+000～ZQK1+250 ZQK1+250～ZQK3+000 长度（m） 河床标高（m） 河床冲刷深度（m） 200 100 350 350 250 1750 -3～-9 -9～-17 -17～-23 -9～-17 -9～-1 大于-1 6 6 6 6 6 3 3.3贝雷栈桥计算

3.3.1桥面板计算

⑴计算模型

由于公路—I级汽车荷载的中、后轮着地宽度为0.6m,其宽度已直接作用在纵梁上，故不用计算，只计算汽车前轮作用在桥面板跨中位置的受力即可。查《公路桥涵设计通用规范》，公路—I级汽车荷载前轴重力标准值30kN。取汽车前轮作用力P作为桥面板计算荷载。板的计算宽度取1.0m。汽车冲击系数按规范采用1.3，结构自重考虑为1.1的分项系数。 荷载分布及支撑情况见下图：

2.530p=65kN/M2.535

⑵弯距及变形情况见下图

图2-4 桥面板变形图

图2-5 桥面板弯矩图

3.3.2桥面板纵肋I12计算

⑴计算模型

将桥面板纵肋I12视为两边支撑在桥面板横肋I25a上的多跨连续梁计算，桥面板纵肋计算长度取13.5m，其跨径等于桥面板横肋的间距1.5m,计算荷载取栈桥自重、公路—I级车道荷载和人群荷载。查《公路桥涵设计通用规范》，公路—I级车道荷载的均布荷载标准值为qK=10.5kN/m；集中荷载标准值采用直线内插求得PK=220kN。人群荷载标准值为3kN/m2，两侧人行道的宽度假设为1.5m,则单个车道承担的人群荷载转化为4.5kN/m。结构自重考虑为1.1的分项系数,汽车荷载的分项系数取1.4,人群荷载的分项系数取0.8,汽车荷载的冲击系数取1.3,汽车荷载横向折减系数为1。

单根桥面板纵肋I12承受的荷载分布及支撑情况简化如下图:

P=29.66kNkq=1.68kN150×9=1350

⑵弯距及变形情况见下图

图2-6 桥面板纵肋I12变形图

图2-7 桥面板纵肋I12弯矩图

3.3.3桥面板横肋I25a计算

⑴车道荷载计算 ①计算模型

将桥面板横肋I25a视为两边支撑在贝雷桁架上的多跨连续梁计算，桥面板横肋计算长度取8m，其跨径等于贝雷桁架的间距,计算荷载取桥面板纵肋支点的反力。

桥面板纵肋I12支点的反力最大时荷载分布图及支撑情况见下图：

P=800.8kNkq=45.42kN150×10=1500

经计算I12支点反力最大为875.58kN。

单根桥面板横肋I25a的荷载分布图及支撑情况见下图：

=109.45kN/259013090130800901309025

②弯距及变形情况见下图：

图2-8 桥面板横肋I25a变形图

图2-9 桥面板横肋I25a弯矩图

⑵汽车荷载计算 ①计算模型

将桥面板横肋I25a视为两边支撑在贝雷桁架上的多跨连续梁计算，桥面板横肋

计算长度取8m，其跨径等于贝雷桁架的间距,计算荷载取桥面板纵肋支点的反力。

单根桥面板横肋I25a荷载分布图及支撑情况见下图：

150110P=91kNq=5.86kN/m500180P=91kN220q=2.26kN/m1P=91kN180150P=91kN110q=5.86kN/m259013090130800901309025 ②弯距及变形情况见下图：

图2-10 桥面板横肋I25a变形图

图2-11 桥面板横肋I25a弯矩图

⑶结构计算分析

根据拟定的栈桥梁部结构情况，对15m跨径，利用SAP2000分析程序进行结构计算。其栈桥单根桥面板横肋计算结果见下表。

车道荷载和汽车荷载作用下计算结果汇总表 表2-3 工况 公路—I级车道荷载、人群荷载 跨度(m) 15 最大弯矩(kN·m) 13.0 最大变形(mm) 0.30 容许变形L/500(mm) 2.6 公路—I级汽车荷载、人群荷载 3.3.4栈桥贝雷梁计算

⑴计算工况

15 15.92 0.23 2.6 考虑设计荷载、验算荷载的作用，栈桥计算工况主要有：①公路—I级车道荷载、人群荷载；②公路—I级汽车荷载重车走在栈桥跨中、人群荷载。

⑵工况①计算

单片贝雷纵梁荷载分布及支撑情况：

P'q=6.86kN/mq=2.1kN/m21500150015007507501500150015001500×7=10500 贝雷纵梁弯矩及变形图：

图2-12 栈桥贝雷变形图

图2-13 栈桥单排单层贝雷弯矩图

图2-14 栈桥单排单层贝雷剪力图

⑶工况②计算

单片贝雷纵梁承受荷载分布及支撑情况：

11.03kN44.10kN51.45kN3.0kN/m3007001401401500×7=10500 单片贝雷纵梁弯矩及变形图：

图2-15 栈桥贝雷变形图

图2-16 栈桥单排单层贝雷弯矩图

图2-17 栈桥单排单层贝雷剪力图

⑷结构计算分析

根据拟定的栈桥梁部结构情况，对15m跨径，利用SAP2000分析程序进行结构计 算。其栈桥单排单层贝雷计算结果见下表。

工况作用下计算结果汇总表 表2-4

工况 公路—I级车道荷载、人群荷载 公路—I级汽车荷载重车走在栈桥跨中、人群荷载 跨度(m) 15 最大弯矩(kN·m) 323.95 最大剪力(kN) 99.30 最大变形(mm) 14.10 容许变形L/800(mm) 18.75 15 249.66 132.88 11.04 18.75 查阅《装配式公路钢桥多用途使用手册》，“321”贝雷桁架容许应力表： 双排单层：容许弯矩：1576.4kN·m 容许剪力：490.5kN

本栈桥采用四组双排单层贝雷桁架，则： 1576.4÷2=788.2 kN·m >323.95kN·m 490.5÷2=245.3 kN >132.88kN

从贝雷桁架纵梁结构受力上看这种跨径满足要求。 3.3.5钢管桩顶横梁I36a计算

⑴横桥向I36a计算 ①计算模型

将钢管桩顶承重梁2I36a视为两边支撑在钢管桩上的两跨连续梁计算，横梁I36a计算长度取8m，其跨径等于钢管桩的间距3.2m,计算荷载取贝雷支点的反力的最大值218.22kN。

钢管桩顶横梁I36a承受的荷载分布及支撑情况见下图：

PK=218.22/2=109.11kN

25Pk90Pk130Pk90Pk130Pk90Pk130Pk9025Pk8032080032080 ②弯距及变形情况见下图：

图2-18 承重梁I36a变形图

图2-19 承重梁I36a弯矩图

⑵顺桥向I36a计算 ①计算模型

双排Φ600钢管桩顶顺桥向采用2I36a型钢作为承重梁, 由以上计算可知：桩基最大荷载发生在公路—I级汽车荷载重车走在栈桥跨中并有人群荷载作用时，最大竖向荷载值为680.28kN。

荷载分布及支撑情况见下图： 其中P=680.28÷4=170.07kN

PP81②弯距及变形情况见下图：

3820081

图2-20 承重梁I36a变形图

图2-21 承重梁I36a弯矩图

⑶结构计算分析

根据拟定的栈桥梁部结构情况，对15m跨径，利用SAP2000分析程序进行结构计算。其栈桥钢管桩顶单根横梁I36a计算结果见下表。

荷载作用下I36a计算结果汇总表 表2-5

跨度(m) 最大弯矩(kN·m) 最大支反力(kN) 最大变形(mm) 容许变形L/500(mm) 类型 横桥向I36a 15 104.91 340.14 1.67 6.4 顺桥向I36a 15 137.76 170.07 2.21 6.4 3.3.6贝雷栈桥型钢杆件应力计算结果

贝雷栈桥型钢杆件应力计算结果汇总表 表2-6

序号 1 2 3 4 名称 桥面板 桥面板纵肋 桥面板横肋 桩顶横梁 规格 σ=12mm I12 I25a I36a 最大应力容许应力最大变形(mm) 0.44 1.41 0.30 2.21 容许变形L/500(mm) 0.7 3.0 2.6 6.4 σ(MPa) [σ](MPa) 41.25 101.3 39.70 156.97 215 215 215 215 3.3.7钢管桩受力分析与计算

⑴水文、地质条件

对现有地质资料，目前按钻孔ZK4的地质资料为计算依据，按河床冲刷情况将栈桥分成7个区段进行计算。

土层摩阻力表(钻孔ZK4) 表2-7

序号 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 5 土层名称 粉土 粉土 粉土 粉土 粉土夹粉砂 淤泥质粉质粘土 粉质粘土 地基承载力(kPa) 90 130 150 140 160 55 75 85 桩周摩阻力(kPa) 22 32 40 42 45 底面高程(m) 0.2 -5.4 -6.5 -10.4 -16.3 -29.1 -39.4 4-2 淤泥质粉质粘土夹粉土 ⑵钢管桩垂直承载力作用下桩长计算 ①单桩垂直承载力

由以上计算可知：单根Φ1000、Φ800钢管桩最大竖向荷载值为680.3kN，单根

Φ600钢管桩最大竖向荷载值为340.14kN。

②桩长计算

由垂直承载力计算出桩长。

贝雷栈桥钢管桩桩长计算结果一览表 表2-8 里程桩号 ZQK0+000～ZQK0+200 长度(m) 200 钢管桩规格(mm) φ600 φ800 φ600 ZQK0+200～ZQK0+300 100 φ800 φ1000 ZQK0+300～ZQK0+650 350 φ800 φ1000 φ600 ZQK0+650～ZQK1+000 350 φ800 φ1000 ZQK1+000～ZQK1+250 250 φ600 φ800 ZQK1+250～ZQK2+150 900 φ600 φ800 桩长(m) 24.0～30.0 24.0～36.0 36.0 40.0～44.0 44.0～46.0 42.0～48.0 46.0～51.0 36.0～40.0 36.0～44.0 40.0～44.0 24.0～32.0 28.0～36.0 18.0～22.0 28.0 大于-1 -9～-1 -9～-17 -17～-23 -9～-17 河床标高(m) -3～-9 ⑶钢管桩整体稳定性分析

取河床冲刷最大受力最不利的单排3φ1000+1φ600(斜桩加固)钢管桩进行钢管桩整体稳定性分析。河床标高为-23.0m, 20年一遇高水位+6.77m,考虑最大冲刷深度为6m,冲刷后的河床标高为-29.0m,钢管桩假定在标高-31.0m处固结。圆柱形桥墩所受水压力折减系数为0.8。由于两根φ1000钢管桩间净距只有2.2m，故假定后面墩柱流水压力按前面墩柱流水压力的70%逐渐递减。按单排3φ1000+1φ600(斜桩加固)钢管桩模式进行钢管桩设计计算，将竖向集中荷载直接加在钢管桩上，利用SAP2000进行模拟计算。

①钢管桩受力计算

图2-22 单排钢管桩模拟模型

图2-23 设计荷载组合Ⅰ单排钢管桩计算荷载

图2-24 设计荷载组合I单排钢管桩桩顶水平位移

图2-25 设计荷载组合I单排钢管桩弯矩图

图2-26 设计荷载组合I单排钢管桩轴力图

图2-27 设计荷载组合II单排钢管桩计算荷载

图2-28 设计荷载组合II单排钢管桩桩顶水平位移

图2-29 设计荷载组合II单排钢管桩弯矩图

图2-30 设计荷载组合II单排钢管桩轴力图

②钢管桩受力分析

单根φ600mm钢管桩受力汇总表 表2-9

设计单根桩最大竖向力 荷载组kN 合 I Ⅱ 自重 自重 水平力 桩顶水平 位移 cm 6.026 6.791 桩身最大 弯矩 kN·m 266.53 274.80 桩身最大 轴力 kN 661.67 641.39 (kN) 74.86 74.86 单根φ1000mm钢管桩受力汇总表 表2-10

设计单根桩最大竖向力 荷载组kN 合 I Ⅱ 自重 680.3 水平力 桩顶水平 位移 cm 5.844 6.616 桩身最大 弯矩 kN·m 577.46 611.50 桩身最大 轴力 kN 1010.60 1546.72 (kN) 7.87/131.27 7.87/131.27 ③钢管桩稳定性计算

取受力最大的一根φ1000mm的钢管桩进行受压稳定性计算。自由长度l取31m(标高-31～0m)。

φ1000mm钢管桩回转半径

i=

112d2?d1=12?0.982=0.35 44φ1000mm钢管桩长细比

λ=

?l1?31==88.6

i0.35根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》中受压并在一个主平面内受弯曲或与此相当的偏心受压稳定性公式进行计算。

?1NM1546.72?1030.632611.5?103????= ?3Am??2Wm0.03111?17.6215?10=100.44MPa≤?1[?]=0.632?215=135.88 MPa 构件受压稳定

式中： N—计算轴向力

M—构件中部1/3长度范围内最大计算弯矩 Am—毛截面积

Am=π×(0.52-0.492)=0.0311m2

Wm—毛截面抵抗矩

Wm=

4?d4?d1?32d?=3.14??1324?0.984=7.6215×10-3m3 1? φ1—轴心受压构件的纵向弯曲系数,查表知φ1=0.632 φ2—构件只在一个主平面受弯时的纵向弯曲系数,取φ2=1 μ—考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值, 取μ=1

计算结论：单根φ1000mm钢管桩在流水压力和风力作用下轴心受压稳定,因而单排格构式3φ1000+1φ600(斜桩加固)钢管桩整体稳定。

⑷钢管桩桩身强度验算

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》第1.2.15的规定，对钢管桩进行强度验算。

φ600mm钢管桩强度验算

σ

1max=

NM?= 136.75MPa<［σ］=215MPa AW φ1000mm钢管桩强度验算

σ

1max=

NM= 129.96MPa<［σ］=215MPa ?AW通过以上计算可知，钢管桩受力满足规范要求。

3.4型钢栈桥计算

3.4.1桥面板计算

由于面板横肋I12的净距17.6cm,公路—I级汽车荷载已直接作用在横梁上，故不用计算。

3.4.2桥面板横肋I12计算

⑴车道荷载计算

①单根桥面板横肋I12的荷载分布及支撑情况：

=101.75kN/15707070707070800707070707015

②弯距及变形情况见下图：

图2-31 桥面板横肋I12变形图

图2-32 桥面板横肋I12弯矩图

⑵汽车荷载计算 ①计算模型

将桥面板横肋I12视为两边支撑在H60型钢上的多跨连续梁计算，桥面板横肋计算长度取8m，其跨径等于H60型钢的间距,计算荷载取栈桥自重、公路—I级汽车荷载和人群荷载

单根桥面板横肋I12的荷载分布及支撑情况：

150P=91kNq=0.86kN/m180P=91kN140P=91kNq=0.26kN/m1180P=91kN150q=0.86kN/m15707070707070800707070707015 ②弯距及变形情况见下图：

图2-33 桥面板横肋I12变形图

图2-34 桥面板横肋I12弯矩图

⑶结构计算分析

根据拟定的栈桥梁部结构情况，对12m跨径，利用SAP2000分析程序进行结构计

算。其栈桥单根桥面板横肋I12计算结果见下表。

车道荷载和汽车荷载作用下计算结果汇总表 表2-11

工况 公路—I级车道荷载、人群荷载 公路—I级汽车荷载、人群荷载 3.4.3栈桥H60纵梁计算

⑴计算工况

考虑设计荷载、验算荷载的作用，栈桥计算工况主要有：①公路—I级车道荷载、 人群荷载；②公路—I级汽车荷载重车走在栈桥跨中、人群荷载。

⑵工况①计算

单根H60型钢纵梁承受的荷载分布及支撑情况：

P'q=1.18kN/m2q=4.35kN/m跨度(m) 12 12 最大弯矩(kN·m) 4.68 11.57 最大变形(mm) 0.27 0.73 容许变形L/500(mm) 1.4 1.4 12001200120012006006001200×9=108001200120012001200 单根H60型钢纵梁弯矩及变形图：

图2-35 H60型钢变形图

图2-36 H60型钢弯矩图

图2-37 H60型钢剪力图

⑶工况②计算

单根H60型钢纵梁承受荷载分布及支撑如下：

7.35kN29.40kN34.30kN1.78kN/m3007001401401200×7=10800 单根H60型钢纵梁弯矩及变形图：

图2-38 H60型钢变形图

图2-39 H60型钢弯矩图

图2-40 H60型钢剪力图

⑷结构计算分析

根据拟定的栈桥梁部结构情况，对12m跨径型钢栈桥，利用SAP2000分析程序进行结构计算。其栈桥单根H60型钢计算结果见下表。 工况作用下计算结果汇总表 表2-12

工况 公路—I级车道荷载、人群荷载 公路—I级汽车荷载重车走在栈桥跨中、人群荷载 跨度(m) 12 最大弯矩(kN·m) 161.95 最大剪力(kN) 59.05 最大反力(kN) 77.43 最大变形(mm) 11.64 容许变形L/800(mm) 24 12 150.49 75.91 132.49 7.63 24 3.4.4钢管桩顶横梁计算

⑴横桥向I36a计算 ①计算模型

将钢管桩顶承重梁2I36a视为两边支撑在钢管桩上的两跨连续梁计算，横梁I36a计算长度取8m，其跨径等于钢管桩的间距3.2m,计算荷载取H60型钢支点的反力的最大值132.49kN。

钢管桩顶横梁I36a承受的荷载分布及支撑情况见下图：

PK=132.49/2=66.25kN

1570PkPk70Pk70Pk70Pk70Pk70Pk70Pk70Pk70Pk70Pk7015Pk8032080032080

②弯距及变形情况见下图：

图2-41 承重梁I36a变形图

图2-42 承重梁I36a弯矩图

⑵顺桥向I36a计算

①双排Φ600钢管桩顶顺桥向采用2I36a型钢作为承重梁, 由以上计算可知：桩基最大荷载发生在公路—I级汽车荷载重车走在栈桥跨中并有人群荷载作用时，最大竖向荷载值为669.36kN。

图2-51 设计荷载组合Ⅱ单排钢管桩桩顶水平位移

图2-52 设计荷载组合Ⅱ单排钢管桩弯矩图

图2-53 设计荷载组合Ⅱ单排钢管桩轴力图

②钢管桩受力分析

单排钢管桩受力汇总表 表2-15

设计荷载组合 I II 单排3根φ800cm钢管 单根桩最大 竖向力 kN 自重 669.72 水平力 (kN)/(kN/m) 7.87/31.62 7.87/31.62 桩顶水平位移 mm 3.35 3.35 桩身最大 弯矩 kN·m 100.68 100.68 桩身最大轴力 kN 133.11 664.87 ③钢管桩稳定性计算

取受力最大的一根φ800mm的钢管桩进行受压稳定性计算。自由长度l取12.982m(标高-6～+6.982m)。

φ800mm钢管桩回转半径

i=

112d2?d1=0.82?0.782=0.2793 44φ800mm钢管桩长细比

λ=

?li=

2?12.982=92.96

0.2793根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》中受压并在一个主平面内受弯曲或与此相当的偏心受压稳定性公式进行计算。

?1NM664.87?1030.601100.68?103????= ?3Am??2Wm0.02482?14.8412?10=33.81MPa≤?1[?]=0.601?215=129.22 MPa 构件受压稳定

式中： N—计算轴向力

M—构件中部1/3长度范围内最大计算弯矩 Am—毛截面积

Am=π×(0.42-0.392)=0.0248m2

Wm—毛截面抵抗矩

Wm=

4?d4?d1?32d?=3.14??0.8324?0.784=4.8412×10-3m3

0.8? φ1—轴心受压构件的纵向弯曲系数,查表知φ1=0.601 φ2—构件只在一个主平面受弯时的纵向弯曲系数,取φ2=1 μ—考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值, 取μ=2

计算结论：单根φ800mm钢管桩在流水压力和风力作用下轴心受压稳定,因而单排格构式3φ800钢管桩整体稳定。

⑷钢管桩桩身强度验算

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》第1.2.15的规定，对钢管桩进行强度验算。

σ

1max

=

NM= 47.61MPa<［σ］=215MPa ?AW通过以上计算可知，钢管桩受力满足规范要求。 3.4.6型钢栈桥型钢杆件应力计算结果

型钢栈桥型钢杆件应力计算结果汇总表 表2-16

序号 1 名称 桥面板横肋 规格 I12 最大应力容许应力最大变形(mm) 0.73 容许变形L/500(mm) 1.4 σ(MPa) [σ](MPa) 149.48 215 2 3

栈桥纵梁 桩顶横梁 H60 I36a 62.05 154.46 215 215 11.64 2.18 24.0 6.4 第四节 栈桥设计结论

4.1计算结论

⑴贝雷梁抗弯抗剪均有较大储备，安全系数高。

⑵钢管桩受力主要矛盾不是垂直承载力，而是水平承载力。 ⑶钢管桩水平位移由桩的自由长度、风力和流水压力决定。

⑷该设计是以设计平均流速3m/s、最大冲刷考虑6m为计算依据的，在栈桥施工及使用过程中要定期测量河床标高及水的流速，若发现有较大出入应立即采取措施进行栈桥加固。

⑸由于河床冲刷大水深，导致钢管桩自由长度较大，所以必须考虑汽车制动力对 栈桥的影响，因而在栈桥施工和运行期内，安排专人负责监督运行车辆在栈桥上的行使速度，将车速必须限制在15Km/h以内，若发现车速超过15Km/h的车辆，应立即采取措施进行管制，从而保证栈桥在施工和使用过程中的安全。

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